420不銹鋼注射成形用塑基喂料制備及其應(yīng)用研究

蔣興權(quán)，李篤信＊，盧仁偉，楊忠臣，劉志勇

（1.中南大學(xué) 粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.長(zhǎng)沙聚眾冶金科技有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410083）

420不銹鋼具有強(qiáng)度高、硬度高、耐磨性好以及拋光性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于生產(chǎn)不銹鋼刀具，軸、軸承、閥門、塑料模具及醫(yī)用刀鉗器具等。然而，該不銹鋼難于機(jī)加工，采用鑄造、機(jī)加工等傳統(tǒng)方法在制備復(fù)雜形狀420不銹鋼部件時(shí)存在工藝復(fù)雜、成本高、生產(chǎn)效率低下等問(wèn)題[1]。金屬注射成形是一種新型粉末冶金近凈成形技術(shù)，與傳統(tǒng)工藝相比，在制造幾何形狀復(fù)雜、精度高、組織均勻、性能優(yōu)異的產(chǎn)品上具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上以420不銹鋼為原料，制備了一種注射成形用塑基喂料，分析了該喂料的熱性能、均勻性，對(duì)燒結(jié)坯的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用湖南恒基粉末科技有限責(zé)任公司提供的420氣霧化不銹鋼金屬粉末，其化學(xué)成分和粉末中位徑見表1。

表1 420不銹鋼粉末化學(xué)成分表

粘結(jié)劑的成分主要包括聚甲醛、高密度聚乙烯和其他輔助添加劑。將粘結(jié)劑組元和420不銹鋼粉末按58%的粉末裝載量進(jìn)行混煉和造粒得到喂料。隨后在195℃下通過(guò)注射成形得到注射坯，接著經(jīng)過(guò)脫脂得到脫脂坯；最后在燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行燒結(jié)致密化，燒結(jié)溫度為1300℃～1360℃，保溫2h。

采用SDT-Q600同步熱分析儀對(duì)喂料進(jìn)行TGA測(cè)試；用Instron3369材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)對(duì)燒結(jié)坯抗彎強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試；Nova Nano SEM 230掃描電鏡對(duì)生坯斷口形貌進(jìn)行觀察。

2 結(jié)果和討論

2.1 喂料熱性能分析

圖1 喂料的DSC-TG曲線

圖1為420不銹鋼粉末制備的喂料的DSC-TG曲線，由圖知，在130℃，169℃和400℃左右各出現(xiàn)了一個(gè)吸收峰，其中130℃的吸收峰代表的是HDPE的熔融溫度；169℃為POM熔融溫度；400℃為粘結(jié)劑的主要分解溫度。從TG曲線可得出，喂料在280℃～500℃之間有兩個(gè)溫度失重區(qū)間。第一階段失重區(qū)間是280℃～417℃，主要是POM、HDPE以及部分SA的熱分解失重；第二階段失重區(qū)間是417℃～500℃，此階段主要是余量HDPE、SA的熱分解失重，所有粘結(jié)劑組元在500℃脫除干凈。根據(jù)以上分析，為保證粘結(jié)劑具有良好流動(dòng)性的同時(shí)避免低熔點(diǎn)粘結(jié)劑組元的分解，確定注射溫度為：180℃～210℃。

2.2 喂料均勻性分析

圖2為該喂料的注射坯斷面的微觀形貌。從圖中可以看出420不銹鋼粉末沒(méi)有出現(xiàn)團(tuán)聚的現(xiàn)象，金屬粉末間均勻的填充了粘結(jié)劑，形成了均勻的喂料。

圖2 注射坯斷面形貌

2.3 燒結(jié)收縮率分析

圖3為不同溫度下的燒結(jié)收縮率，由圖知，隨著燒結(jié)溫度的升高，試樣各方向的收縮率也隨著增加。且三個(gè)方向上的收縮率都是長(zhǎng)度方向最大，寬度方向次之，厚度方向最小，差異小于0.5%，說(shuō)明該喂料制備的420不銹鋼零部件的燒結(jié)均勻性好，精度高，能滿足生產(chǎn)要求。

圖3 不同燒結(jié)溫度下的收縮率

2.4 密度及力學(xué)性能分析

由表2可知，隨著燒結(jié)溫度的升高，燒結(jié)坯的密度與力學(xué)性能呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，且在1340℃之前的增幅最明顯，1340℃時(shí)密度達(dá)到7.61g/cm3，硬度達(dá)到54.26HRC，抗彎強(qiáng)度達(dá)1253.37MPa；隨著燒結(jié)溫度的進(jìn)一步升高，燒結(jié)密度與硬度趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)殡S著燒結(jié)溫度的升高，低熔點(diǎn)的組員熔化形成液相，在毛細(xì)管力和表面張力的作用下固相顆粒重新排布，達(dá)到致密排列，孔隙進(jìn)一步的減少，密度就得到升高，力學(xué)性能也得到提升。

表2 不同燒結(jié)溫度下的密度、致密度及力學(xué)性能

但隨著溫度的進(jìn)一步提高，達(dá)到1360℃時(shí)，抗彎強(qiáng)度略有下降是因?yàn)榇藭r(shí)試樣的微觀組織開始長(zhǎng)大，這就導(dǎo)致了抗彎強(qiáng)度略有下降。綜合上述，最佳的燒結(jié)溫度為1340℃。

3 結(jié)論

（1）180℃～210℃為該喂料的合適注射溫度，該喂料的均勻性好。

（2）該喂料制備的420不銹鋼零部件的燒結(jié)均勻性好，精度高，能滿足生產(chǎn)要求。

（3）燒結(jié)坯的最佳燒結(jié)溫度為1340℃，此時(shí)的密度為7.61g/cm3，硬度為54.26HRC，抗彎強(qiáng)度為1253.37MPa，能較好的滿足生產(chǎn)的需要。